Вечная мерзлота на службе высотного строительства

Якутск, 2022. Фото: shutterstock.com

Высотные здания уже давно стали флагманом строительных инноваций крупных городов, совершенствуя качество жизни горожан. И климатические особенности места, такие как песчаная или болотистая местность, вечная мерзлота или сейсмически нестабильный горный район, больше не являются ограничивающими факторами для высотного строительства.

Наша республика не стала исключением: в Якутии активно строят высокие здания. И если раньше люди смотрели на высотные проекты с недоверием, то сейчас самыми дорогими и престижными считаются квартиры на верхних этажах: это и прекрасные виды, и тишина, и обилие света, и, что немаловажно, чистый воздух.

В России технологии высотного строительства развивались вместе с освоением важнейших с точки зрения использования природных ресурсов территорий. Уже в 70-х годах прошлого века по интенсивности градообразования на первое место в России вышли Якутия, Бурятия, Коми. Остро встал вопрос развития технологий строительства в суровых условиях: сложный грунт, состоящий из рыхлых пород, песка, глины и гальки, температурные перепады.

Несмотря на то, что с многолетней мерзлотой человечество столкнулось достаточно давно (многолетнемерзлые породы, или вечная мерзлота, занимают четверть суши земного шара), впервые в мире успешно применить технологию строительства зданий на многолетнемерзлых породах удалось в России, в Норильске, в середине ХХ века.

Норильск, 2022 год. Фото: shutterstock.com

Самое трудозатратное в строительстве на мерзлоте - устройство фундамента. Здания строили с упором в скальные породы (что объясняет несколько хаотичную планировку застройки того времени, так как такие породы были не везде), строители снимали грунт и выкапывали котлованы практически вручную, масштабировать данный подход до размеров застройки городов было нерационально.

Уже в 1937 году инженеры начали применять метод свайного фундирования с продуваемым подпольем для сохранения стабильной температуры и предотвращения таяния мерзлоты и возможного обрушения грунта от тепла здания.

Метод не новый: сразу вспоминаются охотничьи лабазы. В городах же мода на «дома на ножках» берет свое начало в 1920-х годах: их проектировали и известный архитектор Ле Корбюзье (здание Центросоюза), и советские конструктивисты. Подобные интересные архитектурные решения имели как практическое применение - защита от холода, влаги и безопасность, так и эстетическое - высокие опоры придавали большим зданиям легкость, создавали иллюзию парения. Следующая волна построек на высоких опорах приходится на эпоху панельного домостроения второй половины 1960-х годов.

Фрагмент Дома авиаторов на Беговой улице («Дом на ножках»), Москва. Фото: shutterstock.com

Но в суровых климатических условиях технология свайного строительства имела свои минусы: грунт приходилось сначала прогревать паровой иглой, в прогретую в скважину устанавливали сваю, заливая раствором. Конструкция получалась надежная, но приходилось долго ждать, пока мерзлота восстановится - это было крайне нерационально.

Усовершенствовать технологию свайного строительства получилось в 40-х годах прошлого века ленинградскому инженеру-гидротехнику Михаилу Васильевичу Киму. Он первым осознал, что нужно превратить вечную мерзлоту в верного помощника, что позволит значительно ускорить и удешевить строительство. Ким предложил бурить скважины прямо в ледяных линзах без прогревания, устанавливать сваи в заранее выдолбленные отверстия и после установки заливать их шламом, что позволяло связать сваю с грунтом в единое целое по всей длине. Данный метод сократил стоимость и сроки строительства в десятки раз. Северные города стали приобретать современный вид. Это был настоящий прорыв. К слову, иностранные коллеги продолжали использовать старые методы строительства, поэтому высотных зданий, построенных в вечной мерзлоте, в других точках земного шара почти не встретить.

В Якутске первое девятиэтажное здание было построено в 1976 году (улица Ярославского, 9), дом был оборудован мусоропроводом и лифтом.

Конечно, технологию в дальнейшем совершенствовали: инженеры и ученые не останавливаются и по сей день. При условии грамотного использования методик свайного фундирования практически любой, даже самый коварный грунт может стать надежным основанием для строительства. Для сохранения грунтов в мерзлом состоянии стали применяться термостабилизаторы, капсулы, которые помещают в специальные скважины, пробуренные рядом со зданием для создания холодного экрана. Ученые разрабатывают новые конструкции самих свай для увеличения их несущих способностей. Ведутся исследования по разработке грунтовых растворов, обеспечивающих надежность зданий при потеплении климата. Проводится постоянный температурный мониторинг автоматическими приборами.

Многолетний опыт эксплуатации жилых зданий и промышленных сооружений показал высокую надежность свайных оснований. Сваи с успехом применяются при строительстве и на заболоченных грунтах, как, например, в Архангельске, где еще в 1983 году было введено в эксплуатацию 24-этажное здание Высотка. В основание башни были забиты 624 сваи, уходящие на глубину до 12 метров. В 2017 году в Архангельске был введен в эксплуатацию 25-этажный жилой комплекс, оборудованный скоростными лифтами, парковкой, магазинами на цокольных этажах.

Жилой дом Высотка, Архангельск. Фото: shutterstock.com

Свайные фундаменты широко применяются во всех видах строительства, в том числе супервысотном. Например, в основании 828-метрового небоскреба Бурдж-Халифа в Дубае, построенного на песке, задействовано почти 200 свай длиной около 50 метров каждая. На месте строительства Бурдж-Халифа скальная порода залегает неглубоко, но она очень плохого качества, с большим количеством трещин, насыщена грунтовыми водами и не способна выдерживать большой вес. После извлечения бура вода заполняет скважины, и, чтобы избежать этого, инженеры заполняют скважины вязкой полимерной смолой, которая вытесняет воду и обломки породы к краям, не давая скважине обвалиться и оставляя центр скважины свободным.

Бурдж-Халифа, Дубай. Фото: shutterstock.com

В северных регионах при проектировании зданий акцент все больше смещается на многоэтажное строительство, это позволяет снизить протяженность коммуникаций, облегчая сохранение грунта в мерзлом состоянии и улучшая условия эксплуатации. Новые объекты строятся на основе накопленных научных знаний, опыта стройки и точных расчетов. По данным Института мерзлотоведения имени П. И. Мельникова СО РАН, существующие технологии позволяют строить в Якутске и 32-этажные дома. В этой связи надеемся, что в ближайшем будущем в Якутске появятся интересные современные высотные проекты.